CAPACITACIÓN PARA LOS ESTADOS MIEMBROS DE LA CURSO CAPEV 10 2009

1. CAPACITACIÓN PARA LOS ESTADOS MIEMBROS DE LA CURSO CAPEV 10 2009 CURSO DE CAPACITACIÓN VIRTUAL: INTRODUCCIÓN AL ESTUDIO DE LA TERMOCONVERSIÓN DE LA ENERGÍA SOLAR Tecnologías solares de mediana y alta temperatura Dr. Oscar Alfredo Jaramillo Salgado Centro de Investigación en Energía. Universidad Nacional Autónoma de México ojs@cie.unam.mx23 sep 2009

2. CONTENIDO DE LA PRESENTACIÓN • Objetivo de la sección • Descripción de los colectores solares • Colectores sin seguimiento solar y alta temperatura • Concentradores Parabólicos Compuestos (CPC) • Colectores de Tubos Evacuados • Colectores concentradores con seguimiento solar • Concentradores de canal parabólico (PTC) • Concentradores tipo Fesnel • Concentradores de disco parabólico • Concentradores de capo de helióstatos • Marco Teórico de los concentradores • Análisis óptico de los CPCs • Análisis térmico de CPCs • Análisis ópticos de PTC • Análisis Térmico de PTC • Análisis por Segunda Ley de la Termodinámica

3. Objetivo de la sección Introducción a los captadores solares de mediana temperatura: caso particular los sistemas de concentración utilizando parábolas compuestas, canal parabólico, descripción y principio de funcionamiento. Tecnologías solares de alta temperatura descripción y principio de funcionamiento.

4. Descripción de los colectores solares • Los colectores de energía solar son tipos especiales de intercambiadores de calor que transforman la energía de radiación solar en energía interna y dicha energía la transfieren a un medio de transporte. • El principal componente de cualquier sistema de energía solar es el colector o captador solar. • El captador o colector solar es un dispositivo que absorbe la radiación solar entrante, la convierte en calor, y la transfiere a un fluido térmico (por lo general agua, aceite o aire) que fluye a través del colector. • La energía solar recogida se transporta mediante el fluido que circula hasta un tanque de almacenamiento de energía térmica, de la que pueden extraerse para uso nocturno o en días nublados, o bien se puede aplicar de manera directa. • Existen básicamente dos tipos de colectores solares: no concentradores o estacionarios y de concentración. • Un colector concentrador tiene una área para interceptar la radiación solar es mayor que el área del receptor donde se absorbe la radiación solar, ese decir, es capaz de aumentar el flujo de radiación. • Los colectores de concentración son adecuados para aplicaciones de alta temperatura. • La concentración se refiere al aumento o magnificación de la energía solar en el receptor del sistema. Es la relación entre el área de captación dividida por el área del receptor (conocida como concentración geométrica).

6. 3. Colectores sin seguimiento solar y alta temperatura • CompoundParabolicCollectors(CPCs, Concentradores Parabólicos Compuestos) • Colectores parabólicos compuestos (CPC) son los concentradores de No-imagen o que no forman una imagen bien definida del sol en el receptor. Tienen la capacidad de reflejar toda la radiación incidente dentro de los límites del receptor. Su potencial como colectores de energía solar fue señalado por Winston (1974). La necesidad de mover el concentrador para dar cabida a la orientación al cambio de la posición solar se puede reducir mediante el uso de CPCs (ver Figura 3.5) • Los CPCs pueden aceptar la radiación solar entrante a través de una amplia gama de ángulos. Mediante el uso de múltiples reflexiones internas, la radiación que entra la abertura en el ángulo de aceptación de colección encuentra su camino a la superficie de absorción del receptor situado en la parte inferior del colector. • El receptor puede tomar una variedad de configuraciones. Puede ser plana, bifaciales, cuña, o cilíndrica, como se muestra en la Figura 3.5. Los detalles sobre la forma de construcción de colector se presentan más adelante. • Se han diseñado dos tipos básicos de colectores CPCs: simétrica y asimétrica. CPC suelen emplear dos tipos de receptrore: el tipo aleta con un tubo y receptores tubulares. El tipo de aleta puede ser plana, bifaciales, o de cuña, como se muestra en la Figura 3.5 para el tipo simétrico, y puede ser de un solo canal o multicanal.

8. Los CPCs deben tener un espacio entre el receptor y el reflector para evitar que el reflector actúe como aleta y conduzca el calor fuera del receptor. Esto resulta más importante para los de receptor plano. • Para los usos de alta temperatura se puede utilizar un CPC con seguimiento. Cuando se utiliza el seguimiento, éste puede ser poco preciso e incluso intermitente, puesto que la razón de concentración es generalmente pequeña y la radiación se puede recoger y concentrar por una o más reflexiones en las superficies parabólicas.

9. Colectores deTubos Evacuados • Los colectores de calor solar de tubos al vacío (o simplemente colectores de tubos evacuados, CTE) funcionan de manera diferente que los colectores planos disponibles en el mercado. Estos colectores solares consisten en un tubo de calor dentro de un tubo sellado al vacío, como se muestra en la Figura 3.7. En una instalación real, los tubos están conectados a un mismo dispositivo o tubo como se muestra en la Figura 3.8.

10. Los CTE han demostrado que la combinación de unasuperficie selectiva y como un supresor eficaz de la convección puede dar lugar abuen funcionamientocon temperaturas altas. El vacío reduce pérdidas por convección y conducción, así que los colectores pueden funcionar entemperaturasmás altasque loscolectores planos. • Utilizan una pequeña cantidad de líquido que cambia de fase líquido-vapor (e.g., metanol) para trasportar el calor en un ciclo de evaporación-condensación. Porque no hay evaporación o condensación posible sobre la temperatura de cambio de fase el CTE ofrece la protección inherente contra la congelación y el recalentamiento. Este control de la temperatura es único del CTE. • Las características típicas de un CTE se muestran en laTabla 3.2. Los CTE en el mercado exhiben muchas formas del receptor y es posible encontrar el mercado CTE acoplados a CPC.

12. Otro tipo de colector desarrollado recientemente es el colector parabólico compuesto integrado (CPCI). Éste es un colector evacuado en el cual, en la parte inferior del tubo de cristal, un material reflexivo está fijo (Winston et al., 1999). En este caso, se utiliza un reflector del CPC, Figura 3.10a, o un reflector cilíndrico, Figura 3.10b. Este último no alcanza la forma de un reflector de concentración pero tiene un costo de fabricación muy bajo. De esta manera, el colector combina en una sola unidad las ventajas del aislamiento del vacío y de la concentración sin seguimiento solar. En otro diseño,se desarrolla unCPCI de seguimientoque es conveniente para los usos de alta temperatura (Grass et al., 2000).

13. Colectores concentradores con seguimiento solar • Las temperaturas de los sistemas de energía solar se pueden aumentar disminuyendo el área del receptor y reducir así las pérdidas de calor. La temperatura alcanzada por estos sistemas está muy por encima de los colectores de placa plana. La concentración se logra interponiendo un dispositivo óptico entre la fuente de radiación y la superficie absorsión de energía. Los concentradores de concentración ofrecen grandes ventajas sobre los que no cuentan con concentración (Kalogirou y otros, 1994a). • Muchos diseños se han considerado para la concentración de la energía solar. Los concentradores pueden ser reflectores o refractores, pueden ser cilíndricos o parabólicos, y pueden ser continuos o divididos en segmentos. Los receptores pueden ser convexos, planos, cilíndricos, o cóncavos y pueden ser o no cubiertos con películas selectivas y pueden o no estar protegidos por vidrio de alta pureza. • Las razones de concentración, es decir, el cociente entre la abertura del concentrador (o área de captación) y el área del receptor, pueden variar por varias órdenes de la magnitud, desde unas cuantas unidades hasta valores del orden de 10,000. • En los sistemas de concentración se requiere alta precisión en el seguimiento y alta calidad del sistema óptico.

14. Las ventajas principales son: • El fluido operante puede alcanzar temperaturas más que un sistema de placa plana con la misma superficie de captación de energía solar. Esto significa que una disponibilidad termodinámica más alta se puede alcanzar. • Se logran temperaturas para hacer funcionar dispositivos termoiónicos, termodinámicos, u otros de alta temperatura. • La eficacia térmica es mayor debido a que se reducen las pérdidas de calor concerniente al área del receptor. • El costo-beneficio es mayor en los colectores de cocentración. • Debido al área relativamente pequeña del receptor, el tratamiento superficial selectivo y el aislamiento de vacío para reducir las pérdidas de calor y mejorar la eficacia del colector haciendolos económicamente viables. • Sus desventajas son: • Los sistemas del concentrador recogen poco radiación difusa. • Se requiere ciertaforma de sistema de seguimiento solar para permitir operar el colector de concentración. • Las superficies reflectorassolarespueden perder su reflexión con el tiempo y pueden requerir la limpieza periódica y restauración. • Los costos de inversión y mantenimiento son mayores.

15. El movimiento delsolse puedeseguir por dos métodos. • El primer es elmétodoaltazimuth,que requiere eldispositivo de seguimiento dar vuelta en altitud y acimut, es decir, cuandoéste se realizada correctamente, este método permite al concentrador seguir el sol exactamente. Los colectores solaresparaboloidalesutilizan generalmente este sistema. • El segundo esun eje que de seguimeinto, en el cual el colector sigue el sol en una sola dirección, de Este al Oeste o de Norte a Sur. Los colectores parabólicos del canal utilizan generalmenteeste sistema. Estos sistemas requieren ajuste continuo y exactopara compensar loscambios en la altitud solar del sol. El seguimiento de tipo ecuatorial, el eje de rotación se encuentra fijo y es paralelo al eje de rotación de la tierra.

16. Colectores concentradores con seguimiento solar • Como se menciono, una desventaja de los colectores concentradores esque solamente utilizan la componente directa de la radiaciónsolar, porque la componente difusa no se puede concentrar porla mayoría de los concentradores. • El colector que concentrador puede capturarmás radiaciónpor unidad de área de abertura que un colector del placa plana. • La luzreflejada orefractada se concentra en una zona focal, así se aumenta el flujo de energía en el receptor. • Los concentradores se puede también clasificar en los que forman una imagen bien definida del sol y aquellos que no forma una imagen definida (como el caso del CPC) • Los colectores que forman una imagen definida en le receptor son: • Concentrador de canal parabólico . • Reflector lineal tipo Fresnel. • Plato parabólico. • Receptor de torre central.

17. Concentradores de canal parabólico • Para entregar temperaturas altas con buena eficacia se requiere uncolector solarde alto rendimiento. Sistemas con estructuras ligeras y de tecnología económica para procesos hasta400°Cse pueden obtener con concentradores de canal parabólicos (PTCs). Estos pueden producir con alta eficiencia temperaturasentre50°Cy400°C.

18. Los PTCs son fabricados doblando una hoja delmaterialreflexivoen forma parabólica. • Un tubo negro del metal, cubierto con un tubo de cristal para reducirpérdidas de calor, se coloca a lo largo de la línea focal del receptor (ver Figura 3.13). • Cuando la parábola se apunta en la dirección el sol, los rayos inciden paralelos y se reflejan sobre el tubo del receptor. • La radiación concentradaque alcanza eltubo del receptor calienta el líquido que circula a través de él, asítransformando laradiación solar en calor útil. Es suficiente utilizar unseguimiento de un solo eje y es posible producir módulos que son colocados uno tras otro para formar un colector largo. • El colectorse puedeorientar en dirección Este-Oeste, siguiendo el sol Norte a Sur (altura solar),o en unadirección Norte-Sur, siguiendo el sol de del Este al Oeste ( a lo largo del día). • Para PTCs orientados Este-Oeste con seguimiento solo de la altura solar (Norte-Sur)el ajuste día a día resulta muy pequeño por lo que se hace semanal, quincenal o mensualmente. Al mediodía solar opera siempre frente al sol con máxima eficiencia óptica ydurante las horas tempranas y últimas del día está reduce grandemente,debido a los ángulos de incidencia (pérdida de por efecto coseno). • Los PTCs canales orientados Norte-Sur con seguimiento Este-Oeste tienen supérdida más alta al mediodía por efecto coseno y se reduce en las mañanas y en las tardes. Pero estos presentan mayores horas de operación.

20. El receptor de un canal parabólico es lineal. Generalmente, se coloca un tubo a lo largo de la línea focal para formar un receptor superficial externo (véase el cuadro 3.13). El tamaño del tubo, y por lo tanto la razón de concentración, es determinado por el tamaño de la imagen reflejada del sol y las tolerancias de la fabricación del canal. • La superficie del receptor típicamente cuenta con una capa selectiva con una altaabsorciónpara la radiación solar pero una emitancia bajapara la pérdida por radiación térmica. • Un tubo con cubierta de cristal se coloca generalmente alrededor del tubo del receptor para reducir las pérdidas de calor por convección del receptor • Una desventaja del tubo de la cubierta de cristal es que la luz reflejada del concentrador debe pasar a través del vidrio para alcanzar el recpetor, agregando una pérdida de la transmitancia (solo se logra alcanzar el 0.9 cuando el vidrio está limpio). El sobre de vidrio se tiene generalmente una capa antireflejante para mejorartransmisividad. • Para aumentar el funcionamiento del colector, particularmente para usos de alta temperatura, se evacua el espacio entre el tubo receptor y la cubierta de cristal. • Es común que la longitud total del tubo del receptor delPTCses de 25 a 150 m.

21. Un ejemplo de PTC es elcolector solarproducido por los Industrial Solar Technology (IST)Corporation.Los IST iniciaron varias instalaciones de proceso de calor en los Estados Unidos (a finales desiglo eran cerca 2700 m2 de área de captación) (Krugeret al., 2000).El canal parabólico de losISTse ha probado y se ha evaluado a fondo en el laboratorio nacional deSandia(Dudley, 1995) y elcentroaeroespacial alemán(DLR) (Krugeret al., 2000)para estimar sueficiencia y sudurabilidad.Las características delsistema del colector de losISTse muestran en la Tabla 3.3.

22. Concentradores tipo Fesnel • Los colectores de Fresnel tienen dos variaciones: el colector de lente de Fresnel (FLC),mostrado en laFgura3.17a, y el reflector linear de Fresnel (LFR), mostrado en la figura3.17b.

23. Las tiras se pueden también montar de manera plana en un campo y la luz se concentra en un receptor fijo lineal, como se muestra en la Figura 3.18. En este caso, los reflectores puedenser largos y el receptor no tiene que moverse. La ventaja más grande deestetipo de sistema es que utiliza reflectores planos que son más baratosque los reflectores parabólicos. Además, éstos se montan cerca del suelo, así reduciendo al mínimo requisitos estructurales.El primero en aplicar este principio fue el gran pionero solar Jorge Francia(1968), que desarrollósistemas de FresnelenGénova, Italia, en losaños 60. Estos sistemas demostraron que se puedenalcanzar temperaturas elevadas al usar tales sistemas

24. Concentradores de disco parabólico • El receptor absorbe la energía solar concentrada, convirtiéndolaenenergíatérmica y transfiriéndola a unfluido. Esta energía se transforma entonces en electricidad mediante un generador Stirling. • Los sistemas parabólicos de platopueden alcanzartemperaturas superiores a1500°C.Ya que los receptores se distribuyen a lo largo de uncampo de colectores, los platos parabólicosa menudo se llaman sistemas de receptor distribuido. Los platos parabólicos tienen variasventajasimportantes(DeLaquilet al., 1993): • 1. Porque están apuntados siempre en el sol, son losmás eficientes detodos los sistemas de colector solar. • Tienen típicamente cocientes de concentración en la gama de 600 a 2000 ysonasímuy eficientes la conversión de laenergía solar. • Son unidades modulares y pueden funcionar independiente o pueden interconectarse para formar un sistema más grande.

26. Concentradores de capo de helióstatos • Para temperaturas extremadamente altas, una multiplicidad de espejos planos, o helióstatos con montajesde seguimiento altazimuthse puede utilizar para reflejar su radiación solar directa a un blanco común (ver Figura 3.21). Esto se llama campo del helióstato con receptor de torre central. • Los heliostatos pueden ser espejo levemente cóncavo, y las granes cantidades de energía radiativa llegan a una cavidad que es acoplada a un generador de vapor de temperatura y presión alta para producir electricidad. • Los receptorescentralestienenvarias ventajas(DeLaquilet al,, 1993): • 1. Recogen energía solar y la transfieren a un solo receptor, así se reduce al mínimo los requisitos de transporte de la energía térmica • 2. Alcanzan típicamente cocientes de concentración de 300 a 1500 y así que son muy eficientes • Pueden almacenar convenientemente energía térmica. • Se pueden escalar (generalmente más de 10 MW) y se benefician así deeconomías de escala. • Cada helióstato puede contar con 50 a 150m2 desuperficie reflectiva, con cuatro espejos instalados en un pilar común como se muestra en la Figura 3.22.

28. Marco Teórico de los concentradores El cociente de concentración o razón de concentración (C)se define como la razón del área de abertura y elárea del receptor;es decir, Por lo tanto, la energía irradiada desde el sol y recibida por el concentrador es

29. Un receptor (perfecto) decuerpo negroirradia laenergía igual a y unafracción deesto alcanza el sol, Bajo esta condición idealizada, la temperatura máxima del receptores igual ala del sol. Según la segunda ley de la termodinámica,esto esverdad solamente cuando ________ .Por lo tanto, de(3.80) y (3.81) Puesto que el valor máximo de esigual a 1, elcociente deconcentraciónmáximopara los concentradorestridimensionales es : [ considerando que ] Análogamente para un receptor lineal se tiene

30. Análisis óptico de los CPCs Para CPCsestacionarios el ángulo de aceptación mínimo es igual a 47°. Esteángulo cubre ladeclinación del sol a lo largo del año (2X 23.5°). En la práctica, ángulos más grandes se utilizan para permitir al colector recoger la radiación difusa a expensas de un cociente de concentración más bajo.

31. Análisis térmico de CPCs La eficiencia instantánea,h, de un CPC se define como el aumento de la energía útil dividido por la radiación incidente en el plano de la abertura; es decir, En la Ecuac. (3.85),Gt es la radiación total del incidente en el plano de la abertura.La energíaútil,Qu, se obtiene mediante La radiación absorbente,S, se obtiene de (Duffiey Beckman, 1991):

39. Análisis óptico de los PTCs

40. Para un receptor tubular, la razón de concentración es: De hecho, la magnitud del ángulo del borde determina el material requerido para la construcción de la superficie parabólica. La longitud de la curva de la superficie reflexiva se obtiene mediante donde Hp es Latus Rectum de la parábola (m). Ésta es la abertura de la parábola en el punto focal.

43. La eficiencia óptica se define como el cociente de la energía absorbida por elreceptor y la energíaincidente en la abertura del colector.La eficienciaópticadepende de lascaracterísticas ópticas de los materiales implicados, de la geometría delcolector, y de las imperfecciones que se presentan en la construcción delcolector (Sodha et al., 1984),

44. Durante la operación anormal de un PTC, algunos de los rayos reflejados cerca del extremo del concentrador no pueden alcanzar el receptor. Esto se llama elefecto de borde como se muestra en la Figura 3.39

45. Los errores asociados a la superficie parabólica son de dos tipos:aleatorios yno-aleatorios (Guveny Bannerot, 1985).Los errores aleatorios se definen comoesoserrores que se deben a la naturaleza del azar y, por lo tanto, se puedanrepresentar pordistribuciones de probabilidad normales. Los aleatorios se identifican comocambios evidentesen la anchura del sol, los efectos de la dispersión causados por loserroresaleatorios de la pendiente de la parábola(es decir, distorsión de la parábola debido a carga del viento), y efectos de dispersión asociados a lasuperficie reflectiva.Los errores no-aleatorios se presentan en el ensamble de fabricacióno laoperación del colector. Estos se pueden identificar como imperfecciones delperfil del reflector, errores del seguimiento y errores de localización del receptor.Los erroresaleatorios son modelados estadísticamente, determinando ladesviaciónestándar de la distribución total de la energía reflejada, en la incidencia normal (GuvenyBannerot, 1986),

46. Los errores no-aleatorios son impuestos por el ángulo de error b (es decir, el ángulo entre el rayo reflejado del centro del sol y la normal al plano de abertura del colector) y del desplazamiento del receptor del foco de la parábola (dr). Puesto que los errores del perfil del reflector y la mala colocación delreceptora lo largo del eje de Y esencialmente tienen el mismo efecto, se utiliza un soloparámetro para explicar ambos. Según GuvenyBannerot(1986), los errores aleatorios y no-aleatorios se pueden combinar con losparámetros delcolector, el cociente de concentración (C), y el diámetrogeométricos delreceptor (D). Al usar los parámetros universales del error, se puede formular elfactor de intercepción, g(GuvenyBannerot, 1985):

47. La distribución de la razón de concentración localpara un PTC se muestra en la Figura 3.40. La forma de las curvas depende de los errores aleatorios y no-aleatorios. Debe observarse que la distribución es para la mitad delreceptorestá demostrada en el Figura 3.40. El ángulo de incidencia solar,q,es el ángulo entre los rayos del sol y el normala la superficie de captación.

48. Una manera más representativa de mostrar esta distribuciónpara el receptor se grafica en la Figura 3.41. Como se puede ver, la parte superior del receptor esencialmente recibe solamente la radiación directa del sol y la concentración máxima, cerca de 36 soles, ocurre a un ángulo de incidencia de 0°y en ángulob de 120°.

50. Análisis Térmico de PTC El análisis térmico generalizado de un concentrador solar essimilar ael de un colector de placa plana. Es necesario derivar lasexpresiones apropiadas para el factor de eficiencia del colector, F’; el coeficiente global de pérdidas, UL; y el factor de remoción decalor del colector, FR. Para un receptor de tubo desnudo y si se asume que ningún gradiente de temperatura a lo largo delreceptor, el coeficiente de pérdidas que considera convección, radiación de lasuperficie y conducción a través de la estructura de soprte, El coeficientelinealizado de laradiación se puede estimar de Si unsolo valor de lahr no es aceptable debido a lasvariacionesgrandes de la temperaturaa lo largo del flujo de fluido, el colector se puede dividir en l pequeños segmentos,cada unocon unahrconstante.